CC BY
26
системы жизнеобеспечения», тел.: (3952) 405-140, 89148933483, е-mail: maklv@istu.edu; Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Information about the author
Makotrina L.V., Candidate of Chemistry, associate professor, Engineering Communications and Life-Support Systems Department, tel.: (3952) 405-140, 89148933483, е-mail: maklv@istu.edu; Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
УДК 621.9.01
ОДИН ИЗ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ИГЛОФРЕЗЕРОВАНИЯ © А.М. Тумаш, Н.Л. Корзун
Показаны методы исследования отделочно-зачистных операций обработки деталей с помощью иглофрезиования. Изучены зоны контакта иглофрезы с обрабатываемой поверхностью и получены зависимости сил резания, производительности процесса и шероховатости обработанной поверхности от режимов обработки и свойств обрабатываемого материала; установлен характер влияния свойств обрабатываемого материала на результаты обработки; получена целевая функция управления процессом иглофрезерования. Разработаны и внедрены рекомендации по использованию и оптимизации режимов иглофре-зерования; внедрена методика расчета тонких стержней для определения сил резания при иглофрезеровании. Разработанные зачистные устройства испытаны в производственных условиях и рекомендованы к внедрению.
Ключевые слова: шероховатость поверхности; режим обработки; шлифование; зачистка; иглофреза; иглофрезерование.
ONE OF METHODS TO INVESTIGATE NEEDLE CUTTING © A.M. Tumash, N.L. Korzun
We showed research methods of finishing and clearing operations of details manufacturing with the help of needle cutting. We have studied the zones of contact of a needle cut with the manufactured surface and received the dependence of cutting powers, productivity of a process and the abrasion of the manufactured surface on the types of manufacture and the properties of manufactured material; defined the character how the manufactured material influences the results of manufacture, received the target function to manage processes of needle cutting. We worked out and implemented recommendations to use and optimize types of needle cutting, implemented the methods of calculation of thin stems to define the powers of cutting during the needle cutting process. Worked out clearing devices were tried in production conditions and recommended for the implementation.
Key words: abrasion of the surface; operation mode; grind; clearing; needle cut; needle
cutting.
Введение
При изготовлении деталей значительная часть общей трудоемкости приходится на отделочно-зачистные операции. В то же время уровень механизации и автоматизации этих операций значительно ниже общего уровня. Зачастую операции зачистки выполняются вручную с применением малопроизводительного инструмента. Это приводит к неоправданному увеличению трудоемкости и себестоимости изготовления продукции, ухудшению условий труда. Вместе с тем в машиностроении и других отраслях промышленности находит применение ряд методов, позволяющих снизить остроту этих проблем. К числу перспективных относится обработка с помощью проволочных щеток и иглофрез [1].
Эти способы позволяют сократить ручной труд, не требуют сложного специального оборудования, отличаются небольшой энергоемкостью, высокой производительностью и большим сроком службы инструмента, могут быть использованы для обработки крупногабаритных деталей пониженной жесткости. Им свойственны малые затраты на утилизацию отходов. Образующаяся мелкая стружка представляет собой металлический порошок, она не засорена посторонними неметаллическими включениями и может быть использована в качестве сырья, например, в порошковой металлургии [2, 4].
Цель работы. Показать методы исследования отделочно-зачистных операций обработки деталей в металлообработке (на примере иглофрезерования).
Основные задачи экспериментального исследования процесса иглофрезерования: получить практическое подтверждение теоретическим выводам, определение оптимальных значений основных параметров процесса, а также установление закономерностей, не поддающихся теоретическому описанию.
Предметом изучения стали размеры зоны контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью и деформация игл в её пределах, фактическая геометрия режущих элементов, силы резания, производительность процесса и шероховатость обработанной поверхности. В качестве объектов исследований с варьируемыми параметрами были приняты: натяг, продольная подача, скорость резания и обрабатываемый материал.
Для проведения экспериментов выбрали горизонтально-фрезерный станок (мод. 6Н82), так как его характеристики позволяли работать в требовавшихся интервалах скоростей резания и подач.
В качестве инструмента использовали иглофрезы Белгородского завода со следующей характеристикой: наружный диаметр d = 150 мм; ширина рабочей поверхности Ь = 24 мм. Иглы, изготовленные из кардной проволоки по ГОСТ 3875-83, имели диаметр d = 0,32 мм и длину ворса 1 = 40 мм. Плотность набивки р = 0,75 [3].
После установки иглофрезы на оправку и закрепления в шпинделе станка для устранения биения ее рабочую поверхность шлифовали. Для этого использовали специально спроектированное заточное устройство, которое устанавливали на столе станка.
Схема шлифования приведена на рис. 1. Иглофреза получает вращение от шпинделя станка. Шлифовальный круг приводится в движение электродвигателем заточного устройства. Радиальную и продольную подачу шлифовального круга относительно иг-лофрезы осуществляли перемещением стола станка.
Для шлифования использовали абразивный круг со следующей характеристикой: 1 200*20*32 24А 20 СМ1 7 К5 35м/с А 1 кл ГОСТ2424-83.
Режим шлифования:
частота вращения шлифовального круга, пк = 2820 об/мин;
частота вращения иглофрезы, п = 190 об/мин;
продольная подача шлифовального круга, S = 475 мм/мин;
толщина удаляемого слоя, t = 0,1 мм.
Рис. 1. Схема шлифования рабочей поверхности иглофрезы:
1 - иглофреза; 2 - шлифовальный круг
С целью сохранения режущих свойств иглофрезы в ходе экспериментов её рабочую поверхность подвергали повторному шлифованию. Необходимость шлифования определяли контрольной обработкой образца на заранее установленном режиме: частота вращения иглофрезы, п = 235 об/мин; продольная подача образца, Sп = 475 мм/об; натяг i = 0,5 мм. Снижение съема на 10 % означало необходимость повторного шлифования. Для исследований были выбраны конструкционные материалы, существенно отличающиеся по своим механическим свойствам: стали марок 20 и 45; алюминиевый сплав Д16; чугун СЧ 20, Образцы для проведения опытов изготавливали фрезерованием заготовок из указанных материалов на вертикально-фрезерном станке мод. 6Н13П. При этом на исследуемой поверхности перед каждым опытом создавался микрорельеф с исходной шероховатостью Rz20. Создание постоянного микрорельефа позволило сопоставить величину полученной шероховатости поверхности после иглофрезерования с исходной шероховатостью.
Таблица1
Механические свойства исследованных материалов
Марка материала Ов, МПа От, МПа НВ Ну, МПа Е * 105, МПа 5,%
Сталь 20 420 250 158 1560 2,02 25
Сталь 45 640 360 217 1990 2,05 21
Ал. сплав Д16Т 520 330 130 1340 0,71 11
Чугун СЧ 20 196 - 180 1850 1,25 1
Форма, размеры и другие требования к опытным образцам приведены на рис. 2. Для закрепления опытных образцов на столике динамометра, установленного на столе станка, спроектировали и изготовили специальное приспособление.
Оно позволяет использовать образцы толщиной свыше трех миллиметров, рис. 3. Все опыты проводили с использованием указанного приспособления.
При выполнении опытов натяг изменяли в пределах от 0,2 до 2,0 мм; диапазон изменения подачи составлял от 0,5 до 3,2 мм/об, а скорости резания - от 0,93 до 2,95 м/с. Однопроходную обработку осуществляли при встречной подаче, без применения СОЖ. Экспериментальные исследования проводили в два этапа.
/
3(Ш
Рис. 2. Образец для проведения опытов
в
100
<э
ж
Л-Ч
—Ч - > / У -Г
150 - к
в
о-, -о
I ф I
I" п —
1
л - л
Рис. 3. Приспособление для закрепления опытных образцов:
1 - корпус; 2 - упор; 3, 4 - винты
На первом этапе опыты по выявлению влияния режимов обработки на производительность процесса и шероховатость получаемой поверхности для различных материалов выполняли по методу однофакторного эксперимента. Такой эксперимент является предпочтительным, поскольку дает более достоверные результаты по сравнению с другими методами, например с многофакторным экспериментом.
Второй этап был направлен на изучение совместного влияния режима обработки и параметров инструмента на производительность процесса и шероховатость получаемой поверхности.
Как уже отмечалось к параметрам инструмента, влияющим на его режущие свойства, относятся материал и диаметр проволоки, длина ворса и плотность его набивки. Однако все указанные конструктивные параметры определяют жесткость ворса. Следовательно, жесткость проволочного ворса является комплексным параметром, определяющим режущие свойства иглофрезы. Очевидно, что одну и туже величину жесткости ворса можно получить при различном сочетании указанных конструктивных параметров. В тоже
Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость № 3 (14) 2015
время для изменения жесткости иглофрезы достаточно менять лишь один из них, а остальные оставлять неизменными. В проводимых экспериментах было принято решение изменять жесткость ворса путем уменьшения длины игл. Это дало возможность все опыты проводить одним инструментом, что позволило повысить точность получаемых результатов. С целью сокращения количества опытов был поставлен многофакторный эксперимент. Его реализацию осуществили на одном из ранее выбранных материалов - стали марки 20. Все опыты повторяли не менее 3-х раз, и окончательные результаты принимали путем вычисления среднего арифметического значения.
Исследование характера взаимодействия инструмента с обрабатываемой поверхностью проводили с помощью киносъемки, для выполнения которой использовали скоростную кинокамеру СКС-1М. Такая кинокамера позволяет фиксировать на 16-ти мм. черно-белую кинопленку быстропротекающие процессы, поскольку скорость съемки достигает 3000 кадров/сек. Кинокамеру устанавливали вблизи зоны обработки на жестком штативе. Съемку вели в тот момент, когда иглофреза обрабатывала среднюю часть образца. Негативы хорошего качества получали при освещении объекта съемки с помощью двух светильников марки VT 365 мощностью по 1000 Вт. Схема расположения иглофрезы, образца, кинокамеры и светильников при проведении киносъемки приведена на рис. 4. Кинопленку обрабатывали в специализированной кинолаборатории. В качестве примера полученного экспериментального материала, на рис. 5, приведены фрагменты отснятых негативов.
Рис. 4. Схема киносъемки:
1 - образец; 2 - иглофреза; 3 - кинокамера;
Для последующей графо-аналитической обработки результатов киносъемки использовали изображения отсканированных негативов. Анализ материалов, полученных в ходе экспериментов, позволил изучить зону контакта иглофрезы с обрабатываемой поверхностью, определить траекторию движения игл, выявить характерные особенности, присущие процессу обработки деталей иглофрезерованием. При обработке фотографий было установлено, что зону контакта иглофрезы с обрабатываемой поверхностью можно разделить на несколько участков, границы между которыми определяются точками 1, 2, 3, 4 и 5, рис. 6.
Рис. 5. Фрагменты киносъемки процесса иглофрезерования
Все иглы, находящиеся правее точки 1, занимают строго радиальное направление. По мере движения от точки 1 к точке 2 иглы постепенно изгибаются. Точка 2 соответствует началу касания игл обрабатываемой поверхности. Точка 3 лежит на нормали к поверхности, проходящей через ось иглофрезы. Точка 4 соответствует началу ускоренного движения игл. Отрыв иглы от поверхности резания происходит после ее полного распрямления в промежутке между точками 4 и 5. В точке 5 ускоренное движение игл прекращается.
Рис. 6. Геометрические параметры зоны контакта
В связи с этим при обработке фотоснимков сначала фиксировали линейное расположение этих точек, затем вычисляли их угловое положение. Расчет углового положения точек 1, 2, 4, и 5 по линейным измерениям относительно точки 3 позволил повысить точность определения их действительного расположения, поскольку непосредственные угловые измерения давали большую погрешность. Дополнительно определяли угол между касательной к рабочей поверхности иглофрезы и иглой, что позволяло определить передний угол режущего элемента: у = в - 90о.
При проведении экспериментов измеряли главную и радиальную составляющие силы резания, для чего использовали 4-компонентный динамометр УДМ-600 в стандартной комплектации с усилителем мод. УТ4-1 и приборным щитом. Перед началом экспериментов выполнили тарировку динамометра. Для этого использовали динамометрическое кольцо с индикатором и эталонные грузы. По результатам нагружения и разгружения динамометра построили тарировочные графики, по которым переводили показания приборов, регистрирующих силы резания при обработке, в Ньютоны.
В качестве критерия производительности иглофрезерования (аналогично сведениям, приведенным в литературных источниках [В6, Г7, Г12, П42]) приняли вес материала Q, удаленный с обрабатываемой поверхности за 1 мин. в расчете на 10 мм ширины иглофре-зы. Производительность процесса рассчитывали по формуле: Q = 10 Sм / BLo,
где Q - съем в расчете на 10 мм ширины иглофрезы, г/мин*мм; G0 и G1 - вес образца, соответственно, до и после обработки, г; Sм - минутная подача, мм/мин; В - рабочая ширина иглофрезы, мм; Lo _ длина образца, мм.
Взвешивание образцов осуществляли на лабораторных весах с точностью до 0,001 г.
Шероховатость обработанной поверхности измеряли на профилометре завода «Калибр» мод. 296. Измерение производили в направлении перпендикулярном следам обработки, так как известно, что в этом случае она имеет большие значения по сравнению с измерениями, проводимыми вдоль следов обработки. Для получения объективной оценки шероховатости измерения проводили в нескольких местах исследуемого образца. За окончательную величину принимали среднее арифметическое значение результатов всех измерений.
Схема измерения шероховатости поверхности образца до иглофрезерной обработки и после нее приведена на рис. 7.
40
4:
40
6
о
100
Рис. 7. Схема измерения шероховатости поверхности образца и толщины снятого слоя до и после обработки: 1-6 - области измерения шероховатости
Натяг не измеряли, он задавался как один из режимов обработки. Измерять толщину снятого слоя не было необходимости, т. к. ее легко определить по объему удаленного металла.
Зависимости съема и шероховатости обработанной поверхности от режимов обработки и длины игл, влияющей на жесткость иглофрезы, можно представить выражениями:
Q = f (УДМ); (1)
Ra= f (V, S, ^ 1), (2)
где Q - весовой съем в расчете на 10 мм ширины иглофрезы, г/мин;
Ra - среднее арифметическое отклонение профиля, мкм;
V - окружная скорость вращения иглофрезы, м/с;
S - продольная подача, мм/об; i - натяг, мм; 1 - длина игл, мм.
При исследовании процессов резания многие зависимости традиционно представляют уравнениями степенного вида. Например, выражения (1) и (2) можно представить как: Q = СУ^РЙ5; (3)
Ra = СУ^РЙ5.
После логарифмирования уравнения (3) линеаризуются:
^ = 1пС + а1пУ+ Р^ + у1ш + 51п1. (4)
1nRa = 1пС +а1пУ + Р^ + у1ш + 51ш1
Возможность аппроксимации зависимостей (1) и (2) уравнениями вида (3) устанавливается проверкой гипотезы адекватности линейной модели при выражении результатов эксперимента полиномом
у = Ь0 + Ь1х1 + ...+ Ь4х4 + Ь12х1х2 + ... + Ь34х3х4, (5)
где у - это 1nQ или 1пКа; х1, х2 , х3 , х4 - кодированные значения факторов.
Для оценки коэффициентов полинома (5) провели полный факторный эксперимент 24, с этой целью поставили 16 опытов. Принятые уровни факторов и их кодовые обозначения указаны в табл. 2. Кодированные значения факторов определяли по выражению:
2(1п ~ ~1п ~ ) +1, (6) 1пхв - 1п~Н
где х. - кодированное значение i-го фактора; - натуральное значение ¡-го фактора; - натуральное значение верхнего уровня i-го фактора; ~гн - натуральное значение нижнего уровня >го фактора.
Для каждого из факторов формула (6) примет вид
_ 2(1пГ - 1п2,95) • _ 2(1п^- 1п1,б)
х1 --^ 1 ' х2 —
1 1п 2,95 - 1п 0,93 2 1п 1,6 - 1п 0,51
_ 2(1п I - 1п 34,7)
+1 х -
2(1пг - 1п0,5) 1п 0,5 - 1п 0,2
+1;
х4 —
1п 34,7 - 1п 26,6
■ +1
(7)
Принятые уровни факторов и их кодовые обозначения
Таблица 2
Факторы Кодовое обознач. Уровни факторов
Верхний +1 Основной 0 Нижний -1
Окружная скорость V, м/с х1 2,95 1,85 0,93
Факторы Кодовое обознач. Уровни факторов
Верхний +1 Основной 0 Нижний -1
Подача S, мм/об Х2 1,6 1,0 0,51
Натяг ^ мм Х3 0,5 0,35 0,2
Длина игл 1, мм х4 34,7 30,2 26,6
Матрица планирования и результаты опытов приведены в табл. 3.
Таблица 3
Матрица планирования и результаты опытов
й £ Л с X РП X X РП X X X а с с
о Xo X! X2 Xз x4 X X X X X X а ^ й ^
1 + + + - - + - - - - + 9,9 3,2
2 + - + - - - + + - - + 1,87 1,8
3 + + - - - - - - + + + 3,68 2,8
4 + - - - - + + + + + + 0,98 1,15
5 + + + + - + + - + - - 24,95 4,13
6 + - + + - - - + + - - 8,08 6,75
7 + + - + - - + - - + - 8,92 6,24
8 + - - + - + - + - + - 2,82 4,35
9 + + + - + + - + - + - 0,6 1,34
10 + - + - + - + - - + - 0,5 1,58
11 + + - - + - - + + - - 1,18 1,52
12 + - - - + + + - + - - 0,36 1,5
13 + + + + + + + + + + + 5,32 2,0
14 + - + + + - - - + + + 2,15 2,15
15 + + - + + - + + - - + 4.68 1,85
16 + - - + + + - - - - + 1,51 1,75
После математической обработки результатов эксперимента получили уравнения регрессии для уд и у^.
уд = 0,9415 + 0,5422X1 + 0,2407x2 + 0,6739хз - 0,65x4 - 0,057X1X2 -
- 0,003х1хз - 0,116X1X4 + 0,08x2x3 - 0,224X2X4 + 0,133хзх4; (8)
УRa = 0,8598 + 0,073X1 + 0,051X2 + 0,298X3 - 0,3339X4 - 0,092X1X2 -
- 0,091X1X3 - 0,094X1X4 - 0,012X2X3 - 0,025X2X4 - 0,166X3X4. (9)
Статистическая проверка коэффициентов показала, что при 5%-ном уровне значимости коэффициенты при парных взаимодействиях полиномов (8) и (9), а также коэффициенты при первом и втором факторах полинома (9) незначимы. После исключения незначимых коэффициентов получили
Уд= 0,9415 + 0,5422X1 + 0,2407X2 + 0,6739X3 - 0,65X4; (10) УRa = 0,8598 + 0,298X3 - 0,3339X4. (11)
Уравнения (10) и (11) показывают, что линейная часть полиномов (8) и (9) адекватна при 5%-ном уровне значимости. Следовательно, зависимости съема и шероховатости обработанной поверхности от исследуемых факторов процесса иглофрезерования с доста-
точной точностью можно аппроксимировать уравнениями степенного вида. После замены кодированных значений факторов натуральными и преобразования получили
1п<2 = 18,9764 + 0,93941пУ + 0,41381^ + 1,47091ш - 4,91121п1; (12) 1пка = 10,22207 + 0,65051ni - 2,522851п1. (13)
Потенцируя выражения (12) и (13), находим зависимости съема и шероховатости обработанной поверхности от исследуемых факторов процесса:
уО ,9394 ф g0,4138 ф -1,4709
74
Q = 1,74325*108--4Ш2-; (14)
. 0,6505
Ra = 2,752*103.2:5228. (15)
Заключение
Приведенные в данной статье методы и полученные зависимости позволяют назначать режимы обработки, обеспечивающие наивысшую производительность иглофрезеро-вания при достижении заданной шероховатости обработанной поверхности.
Статья поступила 31.08.2015 г.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Тумаш А.М. Исследование зоны контакта иглофрезы с обрабатываемой поверхностью // Вестник ИрГТУ, 2011, № 6.
2. Абугов А.Л., Пассиков И.Е. Подготовка иглофрез перед обработкой // Машиностроение. 1987. Вып. 3. С. 22.
3. Баршай И.Л., Абугов А.Л. Применение иглофрезерования для механической подготовки поверхностей деталей перед нанесением покрытий. Приборостроение // Респ. межвед. сборник. Минск, 1987. Вып. 9. С. 67-69.
4. Wirtschaftliche Entgratung von Alu-Profilen / Krause Tiemo // Techn. Rdsch. 2005. 97. № 9. P. 30, 31.
Информация об авторах
Тумаш Александр Михайлович, старший преподаватель, кафедра «Конструирование и стандартизация в машиностроении», тел. 89148881871, e-mail: tumash_aleksandr@mail.ru, Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Корзун Никита Леонидович, кандидат медицинских наук, доцент, кафедра «Инженерные коммуникации и системы жизнеобеспечения», технический руководитель научно-исследовательской лабораторией Качества воды, тел.: 89149100532, e-mail: korzun.nikita@mail.ru; Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Information about the authors
Tumash A.M., senior teacher, Department of construction and standardization in engineering, tel.: +79148881871, e-mail: tumash_aleksandr@mail.ru, Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Korzun N.L., Candidate of medical science, associate professor, department of engineering services and life-support systems, tel.: 89149100532, e-mail: korzun.nikita@mail.ru; Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
